Nghiên cứu ảnh hưởng của góc mở phần vượt âm loa phụt đến lực đẩy động cơ tên lửa nhiên liệu rắn - Hoàng Thế Dũng

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 237 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC MỞ PHẦN VƯỢT ÂM LOA PHỤT ĐẾN LỰC ĐẨY ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN Hoàng Thế Dũng*, Lê Song Tùng, Trịnh Hồng Anh, Nguyễn Đức Thuận, Bùi Đình Tân Tóm tắt: Một trong các yêu cầu đặt ra đối với bài toán thiết kế động cơ tên lửa là đưa ra được kết cấu tối ưu nhất để giảm tối đa các tổn thất, tiêu hao năng lượng do nhiên liệu cháy sinh ra, nâng cao hiệu suất động cơ. Bài báo trình bày phương pháp xác định góc mở phần vượt âm của loa phụt động cơ tên lửa nhiên liệu rắn trên cơ sở đánh giá mức độ tổn thất dòng sản phẩm cháy thuốc phóng ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị lực đẩy của động cơ. Kết quả góc mở thu được tương ứng với giá trị lực đẩy lớn nhất của động cơ. Từ khóa: Động cơ tên lửa (ĐTR), Kết cấu động cơ,Loa phụt, Góc mở phần vượt âm. 1. MỞ ĐẦU Tổn thất lực đẩy trong loa phụt là tổng hợp của nhiều dạng tổn thất, trong đó có hai dạng chính đó là tổn thất do khuếch tán dòng và tổn thất do ma sát giữa luồng phụt sản phẩm cháy với thành vỏ loa phụt diễn ra chủ yếu trong phần vượt âm. Với loa phụt có đường kính tiết diện tới hạn và đường kính tiết diện cửa ra cho trước, khi tăng chiều dài phần vượt âm loa phụt, góc mở phần vượt âm loa phụt βa giảm và do đó làm giảm tổn thất khuếch tán tuy nhiên lại làm tăng tổn thất do dòng ma sát lên thành loa. Ngược lại, trong trường hợp giảm chiều dài phần vượt âm thì tổn thất khuếch tán tăng lên, còn tổn thất do ma sát giảm xuống. Từ đó đặt ra yêu cầu xác định góc mở βa phù hợp để tổng tổn thất trong loa phụt là nhỏ nhất và có nghĩa là nhận được hệ số lực đẩy lớn nhất - lực đẩy động cơ đạt giá trị lớn nhất. Kết quả nghiên cứu của bài báo có thể vận dụng cho tính toán, thiết kế khối loa phụt động cơ. Kết cấu phần vượt âm của loa phụt thường có 2 dạng: dạng hình côn và dạng laval. Loa phụt dạng laval tuy có kết cấu phức tạp hơn, khó khăn hơn trong công nghệ chế tạo so với loa phụt dạng hình côn nhưng bù lại nó có kích thước gọn, hạn chế được nhiều hơn các tổn thất do ma sát của dòng khí phụt ra lên thành loa phụt, tổn thất giãn dài dọc loa phụt (loa phụt laval ngắn hơn loa phụt hình côn khi sử dụng cho cùng một họ động cơ), do vậy giảm thiểu tổn thất tổng qua loa phụt. Hiện nay, công nghệ chế tạo loa phụt ở nước ta phục vụ trong các đề tài nghiên cứu khoa học hầu như chỉ sử dụng loại loa phụt hình côn và chưa thực sự đề cao vấn đề hạn chế sự tổn thất năng lượng qua loa phụt. Phương pháp nghiên cứu đưa ra dưới đây cho phép đánh giá lại một cách chính xác hơn vấn đề đã nêu ở trên. 2. ĐẶT BÀI TOÁN Lực đẩy là thông số quan trọng nhất của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn (ĐTR). Giá trị lực đẩy cũng như quy luật biến đổi của nó có ý nghĩa quyết định đến quy luật chuyển động, cự ly bay và hệ thống điều khiển của tên lửa. Công thức chung xác định lực đẩy của ĐTR có dạng [3]: ,c P thP C pF (1) Cơ học & Điều khiển thiết bị bay H. T. Dũng, L. S. Tùng, , “Nghiên cứu ảnh hưởng tên lửa nhiên liệu rắn.” 238 trong đó: P là lực đẩy động cơ, [N]; φc là hệ số loa phụt; CP là hệ số lực đẩy; p là áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ [Pa]; Fth là diện tích tiết diện tới hạn loa phụt [m2]. Ở một điều kiện môi trường nhất định, mỗi động cơ nhiên liệu rắn được thiết kế làm việc ổn định ở một giá trị áp suất p xác định với một giá trị diện tích tiết diện tới hạn loa phụt Fth tương ứng. Khi đó, để tăng giá trị lực đẩy động cơ cần thiết kế biên dạng cũng như kích thước lòng trong các loa phụt một cách hợp lý nhằm tăng giá trị các hệ số lực đẩy CP (phụ thuộc vào đường kính cửa ra loa phụt da) và hệ số loa phụt φc. Mặt khác, để đảm bảo kích thước động lực học bay cho tên lửa cũng như giai đoạn chuyển động của tên lửa trong ống phóng thì đường kính cửa ra của loa phụt da được giới hạn trong một khoảng giá trị cụ thể. Khi đó giá trị lực đẩy tỷ lệ thuận với giá trị hệ số loa phụt φc. Theo định nghĩa, hệ số loa phụt φc là tích của hai thành phần chính được xác định theo công thức sau [4]: ,c ms kt   (2) trong đó: φms là hệ số tổn thất lực đẩy do ma sát giữa dòng sản phẩm cháy với thành loa phụt; φkt là hệ số tổn thất lực đẩy do hiện tượng khuếch tán dòng. Hình 1. Phần vượt âm loa phụt ĐTR. Chia phần vượt âm loa phụt thành n phần bằng nhau theo trục loa phụt từ tiết diện tới hạn đến tiết diện cửa ra loa phụt (hình 1). Khi đó, tổn thất lực đẩy do ma sát của dòng qua mỗi phần diện tích chia được tính theo công thức [4]: 2 cos , 2 ms i i i fi i i w P c F     (3) trong đó: cfi là hệ số ma sát phần diện tích thứ i; βi là góc nghiêng phần biên dạng thứ i so với trục loa phụt; ρi, wi tương ứng là mật độ và vận tốc dòng trung bình theo tiết diện ngang tại khoảng chia thứ i; ∆Fi là diện tích phần bề mặt cong thứ i được xác định theo công thức gần đúng: 2 , tb i i iF R l  (4) ở đây: tbiR , li tương ứng là bán kính trung bình các tiết diện và chiều dài đoạn chia thứ i. d a li l1 d th β1 L wi ρi βi βa Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 239 Hệ số ma sát xác định theo biểu thức: 0,55 2 0 1 1 0,89 , 2 fi f i k c c M         (5) trong đó: cf0 là hệ số ma sát đối với chất lưu không nén được, với loa phụt có bề mặt được gia công tinh cf0 = 0,002 [4]; Mi là trị số Mach tại khoảng chia thứ i. Hệ số tổn thất lực đẩy do ma sát trong (2) được xác định như sau: 1 n ms i ms P P P      (6) Hệ số tổn thất lực đẩy do khuếch tán được xác định theo công thức: 1 cos , 2 a kt     (7) ở đây βa là góc nghiêng của bề mặt loa phụt so với trục tại vị trí cửa ra loa phụt. 3. CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ NHẬN XÉT 3.1. Số liệu đầu vào Tiến hành khảo sát đối với hai trường hợp: biên dạng loa phụt hình côn (động cơ FMV-B1[1]) và biên dạng laval (động cơ 78DT/tên lửa Kh35-E[2]). Các thông số đầu vào được thể hiện trong bảng 1. Bảng 1. Các thông số đầu vào. TT Thông số Đơn vị Giá trị Động cơ sử dụng loa phụt côn Động cơ sử dụng loa phụt laval 1 Áp suất làm việc trung bình Pa 6,5x106 10,7x106 2 Lực đẩy N 5 500 48 000 3 Đường kính tới hạn loa phụt m 0,0137 0,076 4 Đường kính cửa ra loa phụt m 0,021 0,2 5 Chỉ số đoạn nhiệt k 1,25 1,195 6 Thuốc phóng RSI-12M 17/18SD 7 Dải góc mở phần vượt âm để khảo sát độ 6, 7, 8, 9, 10, 11 8, 9, 10,11,12, 13 3.2. Phương pháp tính toán Trên cơ sở các thông số thuật phóng của động cơ và các thông số hình học của loa phụt lựa chọn dải giá trị cho góc mở phần vượt âm loa phụt cần khảo sát. Với mỗi giá trị βa, chia phần vượt âm (dọc theo trục loa phụt) thành 6 phần bằng nhau Cơ học & Điều khiển thiết bị bay H. T. Dũng, L. S. Tùng, , “Nghiên cứu ảnh hưởng tên lửa nhiên liệu rắn.” 240 (hoặc nhiều hơn). Xác định chiều dài các đoạn chia, bán kính đường cong trung bình, diện tích bề mặt cong loa phụt. Sử dụng phần mềm ASTRA [5] tính toán xác định các thông số mật độ, vận tốc dòng, trị số Mach... tại mỗi khoảng chia, từ đó xác định các hệ số tổn thất do ma sát và khuếch tán. 3.3. Kết quả tính toán và bình luận Dưới đây là kết quả tính toán cho loa phụt biên dạng côn của động cơ FMV-B1. + Xác định các bán kính trung bình của tiết diện loa phụt tbiR : i 1 2 3 4 5 6 tb iR , mm 7.1542 7.7625 8.3708 8.9792 9.5875 10.1958 + Xác địn độ dài phần tử thứ i là li: a 6 o 7o 8o 9o 10o 11o li, mm 2.894 2.477 2.164 1.92 1.725 1.565 +Xác định diện tích bề mặt cong của phần tử thứ i (∆Fi, mm 2): i a = 6 o 7o 8o 9o 10o 11o 1 260.17 222.71 194.57 172.65 155.08 140.68 2 282.29 241.65 211.12 187.33 168.27 152.64 3 304.42 260.58 227.66 202.01 181.46 164.6 4 326.54 279.52 244.21 216.69 194.64 176.57 5 348.66 298.46 260.75 231.37 207.83 188.53 6 370.79 317.4 277.29 246.05 221.02 200.49 + Sử dụng chương trình ASTRA xác định trị số Mach Mi, giá trị mật độ i, giá trị vận tốc wi, từ đó xác định hệ số ma sát cfi trên đoạn thứ i: i 1 2 3 4 5 6 Mi 1.3295 1.5886 1.7628 1.9062 2.0307 2.1423 i, kg/m 3 2.5732 1.8912 1.4959 1.2249 1.0266 0.8749 wi, m/s 1475.6 1705.3 1854.2 1967.7 2059.6 2136.7 cfix 10 3 2.718 2.6183 2.548 2.489 2.4374 2.3911 Xác định tổn thất lực đẩy do ma sát msiP : i a = 6 o 7o 8o 9o 10o 11o 1 1.9701 1.683 1.467 1.2984 1.1628 1.0514 2 2.0214 1.7269 1.5053 1.3322 1.1932 1.0788 3 1.9835 1.6945 1.477 1.3072 1.1708 1.0586 4 1.9169 1.6376 1.4274 1.2633 1.1314 1.023 5 1.8402 1.5721 1.3703 1.2128 1.0862 0.9821 6 1.761 1.5044 1.3113 1.1605 1.0394 0.9398 + Xác định tổn thất lực đẩy tổng do ma sát trong toàn bộ loa phụt 1 n ms iP , hệ số tổn thất do ma sát φms, hệ số tổn thất do khuếch tán dòng φkt và hệ số loa phụt φc: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 241 a 6 o 7o 8o 9o 10o 11o 1 n ms iP 11.4931 9.8186 8.5584 7.5744 6.7838 6.1339 φms 0.9916 0.9929 0.9938 0.9945 0.9951 0.9955 φkt 0.9973 0.9963 0.9951 0.9938 0.9924 0.9908 φc 0.9889 0.9892 0.9889 0.9884 0.9875 0.9864 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các hệ số tổn thất lực đẩy vào góc mở phần vượt âm loa phụt hình côn động cơ FMV-B1 được thể hiện như trên hình 2. Hình 2. Sự phụ thuộc của các hệ số tổn thất lực đẩy vào góc mở phần vượt âm loa phụt hình côn. Từ hình 2 thấy rằng hệ số loa phụt đạt giá trị lớn nhất φc = 0,9892 khi góc mở phần vượt âm có giá trị a = 7 o. Tương tự, kết quả tính toán đối với loa phụt laval động cơ 78DT được biểu diễn như trên hình 3. Hình 3. Sự phụ thuộc của các hệ số tổn thất lực đẩy vào góc mở phần vượt âm loa phụt laval. Từ hình 3 thấy rằng hệ số loa phụt đạt giá trị lớn nhất φc = 0,9777 khi góc mở phần vượt âm có giá trị a = 10 o. 7 8 9 10 11 12 13 0,97 0,98 0,99 1 φms φkt φc a, [độ] φ 5 6 7 8 9 10 11 0,985 0.99 0,995 1 φms φkt φc a, [độ] φ Cơ học & Điều khiển thiết bị bay H. T. Dũng, L. S. Tùng, , “Nghiên cứu ảnh hưởng tên lửa nhiên liệu rắn.” 242 Loa phụt côn Loa phụt laval Hình 4. Sự phụ thuộc của lực đẩy vào góc mở phần vượt âm loa phụt. Nhận xét: Kết quả tính toán đối với hai dạng loa phụt (hình côn và laval) cho thấy khi giảm góc mở phần vượt âm loa phụt, tổn thất lực đẩy do ma sát giữa dòng sản phẩm cháy với thành loa tăng lên (hệ số tổn thất lực đẩy do ma sát giảm), còn tổn thất lực đẩy do khuếch tán giảm ((hệ số tổn thất lực đẩy do khuếch tán tăng). Đối với động cơ FMV-B1, lực đẩy đạt giá trị lớn nhất Pmax = 1360 N khi góc mở a = 7o, còn với động cơ 78DT Pmax = 46 931 N khi góc mở a = 10 o(hình 4), điều này hoàn toàn phù hợp với thiết kế của động cơ 78DT [2]. 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở lý thuyết đã nêu, bài báo đã tính toán xác định được sự phụ thuộc của lực đẩy ĐTR vào góc mở phần vượt âm loa phụt, từ đó xác định được góc mở tối ưu để đạt được giá trị lực đẩy lớn nhất khi ĐTR hoạt động ở dải áp suất cho trước. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng vào việc hoàn thiện thiết kế khối loa phụt các loại động cơ được nghiên cứu trong nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trịnh Hồng Anh, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo vũ khí phá vật cản mở cửa cho bộ binh FMV-B (FMV-B1)”, Báo cáo kết quả đề tài, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, 2014. [2]. Lê Song Tùng, “Nghiên cứu khảo sát các chỉ tiêu năng lượng thuốc phóng hỗn hợp Ш-350 và thăm dò khả năng công nghệ nhằm chế tạo động cơ phóng 78DT của tên lửa Kh-35E”, Báo cáo kết quả đề tài, Viện KH-CN quân sự, 2015. [3]. Lê Song Tùng và các cộng sự, “Cơ sở tính toán và thiết kế động cơ tên lửa nhiên liệu rắn”, Nhà xuất bản Quân đội nhân dân, 2015. [4]. ДорофеевА.А. và các cộng sự, “Расчетпараметровихарактеристиккамерыдвигателя”, МГТУим. Н.Э. Баумана, 1990. [5]. Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана, “Моделирование химических и фазовых равновесий привысоких температурах (AСTРA.4/pc)”, Описание применения, МГТУ, 1997. 6 8 10 12 14 46800 46840 46870 46910 46940 P , [ N ] βa, [độ] 5 6 7 8 9 10 11 1356 1357 1358 1359 1360 1361 P , [ N ] βa, [độ] Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 243 ABSTRACT INVESTIGATE THE EFFECT OF SUPERSONIC OPENING ANGLE OF NOZZLE ON THE PROPULSION OF SOLID-FUEL MISSILE ENGINE One of the essential requirements for designing the missile engine is to calculate the optimal configuration, which minimize the damage from energy loss during fuel combustion as well as enhance the engine efficiency. In this paper, a theorical method based on evaluation of damage level from combustion products to the propulsion value of engine is proposed. The calculated opening angle is consistent with the maximal propulsion value of engine. Keyworks: Missile engine, Engine configuration, Nozzle, Supersonic opening angle. Nhận bài ngày 16 tháng 07 năm 2016 Hoàn thiện ngày 04 tháng 08 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 09 năm 2016 Địa chỉ: Viện Tên lửa- Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. * Email: hnpanh@gmail.com.